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RÜCKSTANDS- & SPURENANALYTIK

Pestizide effizienter analysieren

09.12.2004 | Autor / Redakteur: GUIDO DEUßING* / Gerd Kielburger

Um Serien stark matrixhaltiger Proben gaschromatographisch, etwa auf Pestizidrückstände, zu analysieren, bedarf es einer aufwändigen Probenvorbereitung. Oder man ist gewillt, den Liner des PTV-Injektors öfter zu wechseln, was bislang von Hand und meist schon nach wenigen Messungen erfolgen muss und was stets den Abbruch der Analysensequenz zur Folge hat. Ein aufwändiges Prozedere also, das allerdings der Vergangenheit angehört, wie der vorliegende Bericht zeigt.

Um Serien stark matrixhaltiger Proben gaschromatographisch, etwa auf Pestizidrückstände, zu analysieren, bedarf es einer aufwändigen Probenvorbereitung. Oder man ist gewillt, den Liner des PTV-Injektors öfter zu wechseln, was bislang von Hand und meist schon nach wenigen Messungen erfolgen muss und was stets den Abbruch der Analysensequenz zur Folge hat. Ein aufwändiges Prozedere also, das allerdings der Vergangenheit angehört, wie der vorliegende Bericht zeigt.

Pro Jahr werden mehr als 30000 Tonnen verschiedenster Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel, zusammengefasst unter der Bezeichnung Pestizide, auf deutschen Äckern verteilt. In den USA sind es sogar 600000 Tonnen. Hierzulande sind 250 Pestizidwirkstoffe und 1900 Präparate zugelassen, existent sind allerdings weitaus mehr. Während sie einerseits helfen, schädliche Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen wirksam zu bekämpfen und so die Versorgung mit gesunden Lebensmitteln sicherstellen, können Pestizide Luft, Boden und Gewässer belasten und sich letztlich negativ auf die Gesundheit des Menschen auswirken. Insbesondere der unsachgemäße Gebrauch sowie der Einsatz illegaler Pestizide bereitet Sorge. Um eine Gefährdung auszuschließen, bedarf es eingehender Untersuchungen: Wirksamen Schutz bietet einzig die Kontrolle insbesondere pflanzlicher und tierischer Erzeugnisse auf Pestizidrückstände.

Vereinfachung der Multimethoden

Um schnell, sicher und empfindlich einen Überblick über die Pestizidbelastung einer Probe zu bekommen, bedarf es so genannter Multirückstandsmessmethoden, die der Fülle sich im Umlauf befindenden Pestizide sowie deren jeweiligen physikalischen und chemischen Eigenschaften gerecht werden. Herkömmliche Bestimmungsverfahren erweisen sich meist als arbeits-, zeit- und kostenintensiv. Darüber hinaus bedingen sie oft auch den Einsatz großer Mengen teils teurer und toxischer Lösemittel. Das Pestizidlabor Eurofins (Dr. Specht & Partner) aus Hamburg etwa arbeitet bei der Untersuchung von Obst und Gemüse vermehrt mit der so genannten QuEChERS-Methode [1, 2]. Hierbei handelt es sich um eine „bewährte Multirückstandsmethode, die den Aufwand an Probenvorbereitung beim Nachweis von Pestiziden im Vergleich mit herkömmlichen Vorgehensweisen erheblich reduziert“, erklärt Dr. Volkmar Heinke von Eurofins.

Im Einsatz erfolgreich

Das Kürzel Quechers steht für Quick Easy Cheap Effective Rugged Safe und beschreibt eine, wie die Bezeichnung andeutet, neue schnelle und kostengünstige Methode zur Bestimmung von Pestiziden insbesondere in fettfreien Matrices. „Wir haben die Quechers-Methode bereits in mehreren internationalen Laborvergleichsuntersuchungen der Europäischen Union mit sehr großem Erfolg getestet“, sagt Dr. Michelangelo Anastassiades vom Chemischen und Veterinäruntersuchungsamt (CVUA) in Stuttgart über die von ihm entwickelte Methode und ergänzt: „Die mit Quechers erzielten Ergebnisse sind mit denen etablierter Multimethoden, wie etwa denen der DFG S19, vergleichbar.“ Quechers umfasst nur wenige Probenvorbereitungsschritte. Vereinfacht gesagt werden 10 g homogenisierte Probe mit 10 mL Acetonitril versetzt und extrahiert. Anschließend werden 4 g Magnesiumsulfat und 1 g Natriumchlorid zudosiert.

Die Probe wird geschüttelt, mit dem internen Standard versetzt, erneut geschüttelt und zentrifugiert. Ein Aliquot des Überstandes wird entnommen, mit Magnesiumsulfat und einem Sorbens versetzt, die selektiv mitextrahierten Matrixbestandteile entfernt, geschüttelt, zentrifugiert und chromatographisch analysiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden erlaubt Quechers eine schnelle Probenvorbereitung für die GC/MS- beziehungsweise LC/MS-Bestimmung der gängigsten Pestizide: „Mit massenspektrometrischen Verfahren untersuchen wir unsere Quechers-Extrakte in der Regel auf das Vorkommen von 330 gängigen Pestiziden“, sagt Anastassiades, wobei sich manuell acht Proben in weniger als 45 Minuten aufarbeiten ließen. Die Wiederfindung liege zwischen 90-100 Prozent bei gleichzeitig geringen Ergebnisschwankungen, sagt der Chemiker.

Effiziente Multi-Methode

Die Vorteile der Quechers-Methode gegenüber klassischen Verfahren zur Analyse von Pestiziden in Obst und Gemüse sind laut Anastassiades der geringe Verbrauch teilweise toxischer Lösemittel, der reduzierte manuelle Arbeitsaufwand, die schnelle Aufarbeitung der Probe sowie das bedeutend breitere Spektrum erfassbarer Pestizide. „Der hohe Probendurchsatz und die geringen Kosten von etwa einem Euro pro Probe für die Materialien der Probenaufarbeitung belegen die Effizienz unserer Multi-Methode. Durch die Quechers-Methode hat das CVUA Stuttgart im Jahr 2003 allein bei den Lösungsmittelkosten Einsparungen von mehr als 15000 Euro erzielt“, sagt Anastassiades. Bei allen Vorteilen enthalten die nach der QuEChERS-Methode hergestellten Obst- und Gemüseextrakte mit unter einen hohen Anteil schwer verdampfbarer Komponenten, die sich negativ auf die GC-Analyse auswirken, sagt Volkmar Heinke: „Sie verschmutzen den PTV-Liner. Bei extraktreichen Matrices führen bereits 10 bis 20 Injektionen zu einer Abnahme der Signalstärke der empfindlicheren Komponenten. Das GC-Systems muss oft gewartet werden, um weiterhin zuverlässige und sichere Daten zu liefern.“

Paprika, Pestizide und PTV

Spätestens nach der 15. Injektion eines „sehr schmutzigen“ Probenextrakts sollte der PTV-Liner gewechselt werden. Bislang geschah das aufwendig von Hand. Um die Quechers-Methode in der Routineanalytik zum Nachweis von Pestiziden optimaler einsetzen zu können, sollte sich der PTV-Liner automatisiert auswechseln lassen, andernfalls ist kein adäquater Durchsatz längerer Sequenzen möglich, bemerkt Heinke.

Die Lösung für ein entsprechend automatisiertes System fand Eurofins bei der Gerstel GmbH & Co. KG. Das Unternehmen aus Mülheim an der Ruhr hat dafür das Leistungsspektrum seines MPS2-Probengebers um die Alex-Option (AutomatedLinerEXchange) zum automatisierten Liner-Wechsel erweitert. „Der Liner-Wechsel kann jederzeit erfolgen, ohne die Probensequenz abbrechen zu müssen“, sagt Dr. Eike Kleine-Benne aus der Entwicklungsabteilung von Gerstel.

ALEX und die technischen Details

Das System basiert auf dem KAS-4-PTV-Injektor und dem MPS2-Autosampler (beide von Gerstel). Jeder Liner wird in einen Transportadapter eingesetzt. Anstelle des normalerweise für die Flüssiginjektion beim KAS 4 verwendeten septumfreien Aufgabekopfes, ist ein spezieller Unterstützungskopf montiert, der die Transportadapter abdichtet und einen störungsfreien Trägergasfluss durch Adapter und Liner ermöglicht. „Das Dichtungssystem bewährt sich seit Jahren schon bei anderen Systemen, bei denen Glasröhrchen automatisch ausgewechselt werden, etwa bei den Thermodesorptionssystemen von Gerstel“, sagt Eike Kleine-Benne.

Um die Adapter greifen und transportieren zu können, hat das Unternehmen seinen MPS2-Autosampler leicht modifiziert und mit einem elektrischen Greifer ausgerüstet. Bis zu 97 konditionierte Liner sind in einem speziellen Probenteller vorrätig, wobei die Transportadapter eine gasdichte und damit kontaminationsfreie Aufbewahrung ermöglichen. Für die Flüssiginjektion ist jeder Transportadapter mit einem typischen 5 x 3-mm-Septum ausgestattet, das kommerziell erhältlich ist und zum Beispiel im Cool-on-Column-Injektor von Agilent verwendet wird.

Die Oberseite des Injektors, speziell der Transportadapter, bleibt auf Grund einer wirksamen Wärme-Entkopplung zwischen Körper und Oberseite des PTV während des Gebrauchs kühl. „Ein Bluten des Septums oder der O-Ringe des Adapters wird wirksam verhindert“, sagt Eike Kleine-Benne. Da der Injektor prinzipiell mit dem Gerstel-KAS 4 identisch ist, lassen sich alle kommerziell erhältlichen KAS4-Liner verwenden, gleichgültig, ob mit Glaswolle oder einem Adsorbens gefüllt. Daher sei auch der Transfer von Methoden, die etwa zunächst für das KAS 4 entwickelt wurden, auf das automatische Liner-Wechselsystem ohne weitere Modifizierungen möglich, sagt Eike Kleine-Benne und ergänzt: „Die Leistungsfähigkeit des KAS 4 wird nicht beeinträchtigt.“

Die Steuersoftware auf Basis der Gerstel-Master-Software ermögliche es, die Liner zu jedem Zeitpunkt einer Probensequenz auszutauschen. „Es muss immer nur eine Probensequenz editiert werden“, sagt Eike Kleine-Benne. Die Software lässt sich in die GC- beziehungsweise MS-ChemStation von Agilent Technologies einbinden. „Der Anwender erstellt zudem nur eine Sequenz und nur eine Methode komfortabel mittels Mausklick“, beschreibt Eike Kleine-Benne. Es bedarf hierfür keiner Macroprogrammierung. „Die Master-Software entfaltet ihr Leistungsvermögen auch ohne Einbindung, im beschriebenen Projekt wurde ein TOF-MS von Leco verwendet“, sagt der Chemiker.

„Der MultiPurposeSampler MPS 2 mit Alex-Option ermöglicht im Routinebetrieb den automatisierten PTV-Liner-Wechsel sowie die GC-Analyse von Proben und Extrakten, die in großen Mengen Hochsieder oder suspendierte Stoffe enthalten“, sagt Heinke. Die Kombination Quechers-Methode/Alex erlaube einen schnellen, sicheren und empfindlichen Multi-Nachweis von Pestiziden in Obst und Gemüse wobei Alex insbesondere zu einer Steigerung der Robustheit der Analytik führe. Die Laborzeit werde darüber hinaus für die Probenvorbereitung dramatisch reduziert und gleichzeitig wird ein hoher Probendurchsatz für das analytische System sichergestellt, da die manuelle Systemwartung im Rahmen bleibt, beschreibt Heinke die Vorteile.

Quechers- Methode: Geräte und Geräteparameter

Zum Einsatz bei der Quechers-Methode kamen: Gerstel-MultiPurposeSamplerMPS 2 mit automatischem Liner-Wechselsystem; Gerstel-KaltAufgabeSystemKAS 4; GC 6890 Agilent Technologies; Varian FactorFour XMS Säule (30 m, 0,25 mmID, 0,25 µmFilm).Bei dem Detektor handelte es sich umein Time-of-Flight-(TOF)-Massenspektrometer(Pegasus III) der Firma Leco, das sich durch eine besonders hohe Robustheitauszeichnet sowie die Tatsache, dass die Ionenquelle nicht gereinigt werden muss. Schnelle Scanraten sind möglich,und dank einer speziellen Software lassen sich Peaks, die annähernd gleichzeitigeluieren, durch einen rechnerischen Prozess trennen. Die Analyse lässt sich zum Teil auch dann durchführen, wenn eine komplette chromatographische Auftrennung der Komponenten nicht möglich ist.

- Liner: Leerer Liner mit Verwirbelungseinstichen(desaktiviert)- Injektionsvolumen: 5 µL (AcN-Lösungen)- Injektionsgeschwindigkeit: 10 µL/s- Injektionsmodus: 15 s Lösungsmittelausblendung (50 mL/min, 8,2 psi)Splitloser Probentransfer Reinigungsfluss 50 mL/min @ 150 s- KAS-Temperaturprogramm: 50 °C (0,25 min)–12 °C/s–280 °C (30 min)

*G. Deußing, ScienceCommunication, Redaktionsbüro,Uhlandstr. 1b, 41464 Neuss

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